中菲規范地震動參數確定方法的對比分析

彭殿東 武 濤 趙建峰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 問題的提出

隨著中國經濟的快速發展和科研實力的增強，海外工程勘察設計和咨詢市場逐步拓寬，海外工程不再局限于經援項目，更多的是發展中和發達國家的商業項目。一般的商業項目多要求采用所在國的勘察設計規范或歐美規范標準進行設計，這就需要勘察設計人員熟悉采用的國外規范并詳細了解不同規范間的差異，為承包商簽訂合同提供有力技術支撐，為勘察設計文件咨詢審批創造有利條件。作者參與了菲律賓北呂宋鐵路項目建設的全過程，對中菲兩國地震動參數確定方法進行了詳細的對比分析，供同行從事國外勘察設計項目時借鑒。

2 抗震設防

中菲兩國規范關于建筑抗震設計的目的、目標和地震作用存在著較大的差異。中國《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(以下簡稱“GB”)采用“三水準設防目標”的抗震設計指導思想，即“小震不倒，中震可修，大震不壞”，分別對應于以50年超越概率63.2%、10%和2%～3%的地震作用。菲律賓國家結構規范-2010第6版(以下簡稱“NSCP”)208.1.1條款只是做出了以下簡要的說明:“避免結構倒塌和人身傷亡”，采用單一的設防水準，即以50年超越概率10%的地震作用作為基準設防地震作用。

因此，中國GB抗震的設防目標相比菲律賓NSCP規范概念清晰、目標明確。根據兩國規范、相關文獻及研究報告，現將中菲兩國規范中的設防水準及目標列于表1。

表1 中菲抗震設計規范的設防水準及目標

3 場地類別

隨著對強地面運動記錄數據的增多以及對重大工程地震安全性評價的深入研究，發現場地地質條件對地震動參數有著較大的影響。因此，GB和NSCP抗震規范都考慮了場地條件對地震動參數的影響，但兩者關于場地類別及劃分方法存在著較大的差別，見表2、表3和表4。

表2 中國GB場地類別的劃分

表3 中國GB各類建筑場地的覆蓋層厚度 m

表4 菲律賓NSCP場地類別的劃分

通過上述對GB和NSCP場地類別劃分方法的分析，可見:

(1)場地類別劃分不同。GB中將場地類別劃分為4類，其中，Ⅰ類場地分為Ⅰ0、Ⅰ1兩個亞類;NSCP則將場地劃分為6類。GB規范將波速500m/s的硬土作為基巖的界限，更多的是限于勘探深度;而NSCP規范將760m/s和1500m/s作為軟質巖和硬質巖的波速界限，也就顯得更加詳細合理。

(2)場地類別的判別因素不同。GB考慮等效剪切波速和覆蓋層兩個因素，而NSCP只考慮場地土或波速一個因素，也可能由于NSCP規范評價土層深度較大，故未再考慮覆蓋層厚度的影響。場地類別的詳細程度與對應地震動反應譜特征周期的精準度相關，從建筑結構抗震設計的準確性和提高工程設防投資的效果來講，都具有十分重要意義。

(3)場地類別確定時考慮地面下土層的深度不同。GB中采用等20m范圍內等效剪切波速進行評價，同時還考慮了覆蓋層厚度的影響。NSCP采用30m范圍內等效剪切波速進行評價，并同時將標準貫入試驗和不排水剪切強度等列為場地評價的輔助標準。

(4)特殊場地評價不同。特殊土層如震陷、液化、軟土、高塑性土等，地震作用顯著不同，在GB中并未加以詳細規定，而是統一采用等效剪切波速區分。而NSCP要求對于特殊土層單獨分出來進行甄別，是考慮到沿海沉積物特點，以便于單獨分析和專項研究。

4 地震動參數及其確定方法

中國《建筑抗震設計規范》中規定:一般情況下，我國建筑的抗震設計可按國家標準《中國地震動參數區劃圖》規定的地震動參數執行，即地震動峰值加速度、地震動反應譜特征周期直接從中國地震動參數區劃圖上獲取。但地震動反應譜特征周期需根據場地類別和設計地震分組進行調整。菲律賓關于動峰值加速度的方法與我國基本相同，地震動反應譜特征周期的確定方法與我國存在著較大差別。

4.1 動峰值加速度

菲律賓確定峰值加速度的方法與我國基本相同，根據地震區劃圖獲得，但是地震動峰值加速度數值差別較大。

菲律賓板塊屬地震活躍區域，是世界上地震最活躍的國家之一。從圖1中可以看出，菲律賓80%國土位于地震 4區(0.4g)，部分地區位于地震 2區(0.2g)，少數地區則高達0.6g;而在我國(見圖2)，只有位于地震帶四川、云南、西藏、甘肅、臺灣等省市的少數縣市為9度(0.4g)設防區。中菲兩國地震動峰值加速度詳見表5和表6。

圖1 律賓NSCP地震動峰值加速度區劃圖

圖2 中國GB地震動峰值加速度區劃圖

表5 菲律賓NSCP地震動峰值加速度區劃

表6 中國GB地震動峰值加速度區劃

4.2 反應譜

(1)理論基礎

對地震動反應譜形狀有重要影響的因素是震級、距離和場地條件。中菲兩國規范中地震動反應譜的理論基礎相同，計算公式類似，見公式(1)。式中am和βm、T0、Tg、x 分別表示設計地震的峰值加速度和放大系數反應譜的平臺值、第一拐點周期值、第二拐點周期值、下降段下降速度控制參數。

(2)中國GB規范

中國GB規范采用的抗震設計反應譜是取相同場地條件下的多個加速度記錄，并取阻尼比ζ=0.05，得到相應于該阻尼比的加速度反應譜，除以每一條加速度記錄的最大加速度，進行統計分析取綜合平均并結合經驗判斷并進行平滑化處理得到“標準反應譜”，將標準反應譜乘以地震系數(相當于7、8、9度烈度峰值加速度與重力加速度的比值)，即為規范采用的地震影響系數，或稱為抗震設計反應譜。

除有專門規定外，建筑結構的阻尼比應取0.05，地震影響系數曲線的阻尼調整系數應按1.0采用，形狀系數應符合下列規定:

①直線上升段，周期小于0.1 s的區段。

②水平段，自0.1 s至特征周期區段，應取最大值(αmax)。

③曲線下降段，自特征周期至5倍特征周期區段，衰減指數應取0.9。

④直線下降段，自5倍特征周期至6 s區段，下降斜率調整系數應取0.02。

特征周期不僅與場地類別有關，而且還與地震分區有關，同時也反應了震級大小、震中距和場地條件的影響。罕遇地震作用時，特征周期Tg值也適當延長。根據場地類別的特征周期分組可按表7采用，計算8、9度罕遇地震時，特征周期應增加0.05 s。(周期大于6.0 s的建筑結構所采用的地震影響系數應專門研究)

表7 水平地震影響系數最大值

計算地震作用標準值時，阻尼比為0.05的水平地震影響系數最大值應按表8采用。

不同阻尼比的地震影響系數不同，隨著阻尼比的減小，地震影響系數增大，其增大的幅度則隨周期的增大而減小。

中國 GB規定，當建筑結構的阻尼比不等于0.05時，水平地震影響系數曲線仍按圖2確定，但形狀參數應進行調整。

表8 水平地震影響系數最大值

曲線下降段的衰減指數按下式確定

式中 γ——曲線下降段的衰減指數;

ζ——阻尼比。

直線下降段的下降斜率調整系數應按下式來確定

式中，η1-直線下降段的下降斜率調整系數，小于0時取0。

阻尼調整系數應按照下式確定

式中，η2-阻尼調整系數，小于0.55時取0.55

(3)菲律賓NSCP規范

菲律賓NSCP規定的設計反應譜曲線如圖3。確定地震反應譜特征周期時考慮因素較多，如震源類型、場地類別、地震影響系數、震源距離等。

圖3 菲律賓NSCP地震動反應譜

4.3 中菲規范地震動參數對比

表9中Ka、Kβ分別表示每一類場地上的設計地震動峰值加速度am和放大系數反映的平臺值βm與Ⅰ或Sa類(巖石)場地上的值之比。

分析表9所給參數值，可得到中菲兩國規范地震動反應譜之間的如下共同點和差異:

(1)中國GB規范地震影響系數曲線中水平段起始周期T0定為0.1 s，對于一般工程都是經過反應譜平臺值求得的，便于工程設計操作。而菲律賓NSCP規范則給出了0.2Tg的計算方式，與特征值周期值相聯系。

表9 GB和NSCP中地震動參數對應于不同類型場地的取值

(2)菲律賓NSCP考慮了不同場地條件對am的影響;即較軟弱場地對am具有較大的放大作用，Ka為1.00～4.375。在同一地震動強度時隨著場地變軟，場地系數變大，在同一類別場地中，隨著地震動強度提高相應的值減小。雖然國內諸多學者和機構對于不同場地條件對地震動參數的影響做了大量的研究，且得到了“在同一場地類別時隨著地震動強度提高，相應的場地系數值普遍減小，但在同一地震動強度時，各類場地系數變化規律不同(有變大，亦有變小)”的結論，中國GB并未采納，即不考慮不同場地條件對am的影響，Ka為1.0。

(3)菲律賓NSCP和中國GB的放大系數反映平臺值βm均為常數，但 NCSP的 βm取值要略大于中國GB。

(4)菲律賓NSCP未考慮曲線段衰減指數γ，而中國GB考慮了衰減指數的影響，取值為0.90。

5 結束語

通過對中菲兩國地震動參數及其確定方法的比較分析，反映了以下問題:

(1)中國的抗震設計采用“三設防”的指導原則，菲律賓抗震設計為“一防水準”，中國的抗震設計規范給出了比較明確具體的分層次設防目標。

(2)對于場地分類，中國GB規范的場地土評價厚度與探勘深度相對較小。而NSCP中對地震影響因素進行了詳細說明，并給出了具體的影響系數，便于設計人員采用。相對而言，菲律賓規范在場地分類、地震影響因素等方面考慮更為細致。兩國規范基本原理一致，都采用反應譜特征地震影響系數曲線，只是菲律賓NSCP規范沒有過多的簡化處理。我國規范規定的參數操作性更強。

(3)菲律賓NSCP著重考慮了軟弱場地對地震的放大作用，而中國GB在此部分存在一定的欠缺，即沒有考慮地震動峰值加速度或反應譜(放大系數譜)平臺值的場地調整。不同類別場地地震影響系數形狀參數的水平段起始周期都是0.1 s，而0.1 s以下的直線下降段屬人為連線。但在國內一些重大工程中已經開展軟弱場地對地震動峰值加速度或反應譜(放大系數譜)平臺值的場地調整的影響的研究。這些對于中國GB規范的修訂和完善具有一定的補充意義。

(4)中國規范明確了阻尼比不等于0.05時地震影響系數曲線的阻尼調整系數和形狀參數的規定，具有一定的可操作性，適應不同建筑的設計需要。

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